木材横纹抗拉强度及其荷载持续时间效应研究

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木材的横纹抗拉强度很低,在设计中应予避免横纹受拉的情况。但一些具有特殊外形的构件(弧形梁和变截面梁的部分区域)或者一些机械式和胶粘式节点的附近,受荷时会不可避免地产生横纹拉应力。木材的荷载持续时间效应(Duration Of Load,简称DOL效应)是木材和木制品不同于其它建筑材料的特点之一,即木材在荷载作用下,随着荷载持续时间的增加,强度逐渐降低的现象。对于DOL效应的研究,荷载模式通常为顺纹受弯,关于横纹受拉的DOL效应,研究并不是很多。因此开展木材短期横纹受拉基本力学性质以及长期横纹受拉DOL效应的研究具有理论意义与实用价值。  本文首先基于层板木材柱面正交各向异性的材料力学性质假设,同时采用理论与数值模拟结合的方法对木材层板以及四种不同层板组坯模式的胶合木横纹受拉作用下的应力进行了分析。  介绍了较常用的DOL预测模型和蠕变模型。给出了两种利用试验数据对DOL模型进行参数校准的方法——非线性最小二乘法和最大似然估计方法,并利用Matlab软件分别采用Gerhards模型、Foschi and Yao模型和Nielsen模型编制了模型参数校准程序,并与有关文献数据进行了验证。  对樟子松木材横纹受拉试件进行了短期单调加载试验,获得了横纹抗拉强度的分布情况——两参数韦伯分布。基于样本匹配方法,对匹配试件进行长期拉伸试验,获得了长期强度破坏数据和蠕变数据。利用已经编制好的程序对试验数据进行处理,获得了表征应力比(长期强度与短期强度的比值)与时间关系的DOL试验曲线和DOL模型拟合曲线。结果表明,在前99天的试验期间内,横纹受拉DOL效应要明显弱于用于顺纹受力的Madison曲线值,且Foschi and Yao模型和Nielsen模型可以较好的拟合试验曲线。利用有限元模拟的方法对试验现象以及试验结果给出了合理的解释。分析表明,由于柱面正交各向异性和比较明显的横纹蠕变导致了内部应力重分布从而降低了横纹受拉DOL效应。  总结归纳了各国木结构设计规范应用DOL预测模型获得DOL系数或DOL调整系数的计算方法。基于美国规范ASD设计方法并结合长期DOL试验数据给出了横纹受拉DOL调整系数,同时基于加拿大规范方法并结合中国规范编制了能够获得考虑DOL效应的抗力系数与可靠度指标关系曲线的程序,并用有关文献数据对程序进行了验证,最后基于横纹受拉DOL试验结果给出了考虑DOL效应情况下,抗力分项系数与可靠度指标的关系曲线。
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